功能性添加劑在卷煙紙上應用的研究進展

余振華李姍姍沈靖軒肖維毅

(1.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司,云南昆明,650202; 2.云南瑞升煙草技術(集團)有限公司,云南昆明,650106)

·卷煙紙添加劑·

功能性添加劑在卷煙紙上應用的研究進展

余振華1李姍姍2沈靖軒2肖維毅2

(1.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司,云南昆明,650202; 2.云南瑞升煙草技術(集團)有限公司,云南昆明,650106)

對功能性添加劑在卷煙紙上應用的研究進展進行了闡述,主要包括卷煙紙燃燒調節劑、吸味調節劑和降害型助劑,燃燒調節劑又分為燃燒速率調節劑、燃燒環境調節劑和灰分調節劑。指出應加快功能性添加劑作用效果的機理研究,盡快推進功能性添加劑的開發進程,提高卷煙品牌的市場競爭力。

功能;添加劑;卷煙紙;燃燒;吸味;降害

(＊E-mail:lssanty@126.com)

Abstract:In this paper,the recent research progress in the application of functional additives in cigarette paperwas introduced,mainly including the burning regulator,the regulator for sensory quality and additives of lowering the harmfulness.The burning regulatorwas divided into combustion-supporting reagent,the regulator for burning environment and the regulator for ash.The suggestion of speeding up the research on applicationmechanis m of functional additiveswasproposed.In order to enhance the competence the development and application of functional additives should speed up as quickly as possible.

Key words:function;additives;cigarette paper;burning;sensory quality;lowering the harmfulness

近年來,卷煙生產企業在“加快培育重點骨干品牌,提升卷煙產品結構”的行業背景下,不斷進行技術創新,提高品牌的市場競爭力。隨著卷煙行業的快速發展及市場競爭越來越激烈,功能性添加劑的研究和使用愈來愈成為改善卷煙品質并提高其市場競爭力的有效途徑,具有新功能的卷煙更易于被市場接受,也將擁有更廣闊的市場發展空間。煙草制造商青睞于高附加值和高技術含量的產品,卷煙紙添加劑的應用成為賦予卷煙紙高附加值并凸顯卷煙紙功能性的重要手段,因其可以更充分、有效地利用煙支燃燒過程中卷煙紙所處的特殊環境,改進煙支的燃燒狀態,賦予卷煙產品相應的功能特征。因此,功能性卷煙紙添加劑的研究開發是賦予卷煙紙高技術含量,進而適應卷煙安全、低危害要求的重要技術手段。

卷煙紙處于卷煙燃燒組分的最外圍,與空氣直接接觸,盡管質量約占煙條總質量的5%,但它對卷煙的燃燒速率、通風度、抽吸口數、主(側)流煙氣和灰分等都有較大影響,這些指標都將直接影響到卷煙的降焦、燃燒、包灰效果和卷煙的吸味[1]。按照功能分類,卷煙紙添加劑主要包括:燃燒調節劑、吸味調節劑、降害型助劑等,但應用于卷煙紙中的添加劑并非僅具有單一的功能性,它可同時肩負幾種功能,以滿足不同卷煙品牌發展的市場需求[1]。

圍繞卷煙紙功能性添加劑的研究開發已有大量的文獻報道。文中對目前報道的卷煙紙添加劑的相關研究進行了歸納總結,以期為卷煙紙功能性添加劑的開發方向提供思路,進而更加有效地開發功能型卷煙紙產品。

1 燃燒調節劑的研究進展

燃燒調節劑是卷煙紙的主要添加劑,卷煙生產中利用燃燒調節劑來調節燃燒速率進而控制卷煙抽吸口數或改善包灰效果。目前使用的燃燒調節劑主要有助燃劑、燃燒環境調節劑和灰分調節劑,雖然其含量僅為卷煙紙質量的0.5%～3.0%,但其種類和用量將影響卷煙紙的燃燒特性及灰分外部特征。

1.1 燃燒速率調節劑

卷煙紙的燃燒速率與煙絲的燃燒速率必須匹配,若卷煙紙的陰燃速率大于煙絲的陰燃速率,則煙絲爆口不能成灰,若卷煙紙的陰燃速率小于煙絲的陰燃速率,則煙頭會縮進卷煙紙內,因缺乏氧氣而造成煙支熄滅[2]。因此,通過調節卷煙紙的燃燒速率,使得卷煙燃燒處于一個良好的狀態,進而提高卷煙的燃燒品質。

無機助燃劑硝酸鉀、硝酸鈉在卷煙燃燒的溫度范圍內可分解釋放出氧氣,使纖維更好地氧化,從而促進燃燒。但卷煙紙中的碳化物因釋放氧氣而燃速加快,局部燃燒不完全,灰黑片小,包灰效果差,黑炭圈寬,影響煙支燃后的美觀,生產的卷煙紙燃燒時產生的物質對吸煙者的健康也十分有害。有機助燃劑富馬酸鹽中的陽離子(K+、Na+)對燃燒有加速效應,能把燃燒后的灰片黏結在一起,能達到既完全燃燒,灰片又不散落,使煙支包灰效果好,且黑炭圈窄,無異味,對人體無害[3]。

鄭一新等[4]使用高壓離子色譜儀對幾種國產和進口卷煙紙中的助燃劑進行了測定,發現檸檬酸鉀鈉鹽是其中常用的卷煙紙助燃劑。堿金屬鹽類能產生白色灰分,并增加靜態燃燒速率,如檸檬酸鈉和檸檬酸鉀的混合物,但焦油量和一氧化碳隨檸檬酸鹽用量增加而減少。而其他調節劑如磷酸二氫銨只改變灰分外部特征而不改變靜態燃燒速率,且焦油和一氧化碳生成量有所增加。研究指出,經化學處理的卷煙紙的熱解溫度降低,熱解時,由于炭線附近的透氣度迅速增加,因而氧氣擴散至燃燒區時的速率增加。經過堿金屬的處理,加快了靜燃速率和一氧化碳形成速率,而對于磷酸二氫銨,增加的氧氣可能被添加劑的還原產物所消耗,因而對靜態燃燒速率影響甚微[5]。

左建等[6]研究了燃燒調節劑為鹵化鈉和堿金屬氯化物的卷煙紙熱裂解時的峰值溫度與靜燃速率的關系,結果表明,峰值溫度與靜燃速率均隨陰離子半徑減小或陽離子半徑增大而升高。同時提出靜燃速率、燃燒溫度與燃燒調節劑水溶液有一定關系,但目前還難以預測pH值的微弱變化對卷煙燃燒行為的影響。劉麗敏[7]分析了卷煙紙中助燃劑含量的影響因素,通過控制助燃劑含量,穩定卷煙紙的燃燒速率,從而控制煙氣中的焦油量。

王樹榮等[8]對氯化鉀催化纖維素熱裂解動力學進行了研究,實驗發現氯化鉀的存在影響熱失重初始階段活性纖維素的生成過程,導致熱重曲線向低溫側移動,并且提高了焦炭的產率。此實驗結果也從機理上較好地解釋了使用鉀元素可提高卷煙燃燒速率、降低一氧化碳釋放量的原因。

可以看出,多數燃燒速率調節劑的研究均是對不同助燃劑種類的應用效果進行總結,并推測其對燃燒速率改變的可能原因,但真正從機理上開展的相關研究較少,因此應加快機理方面的研究,指導產品的開發。

1.2 燃燒環境調節劑

隨著世界反吸煙運動的興起以及消費者對“吸煙與健康”問題的日益關注,人們在卷煙消費過程中將會更加重視自身及周圍其他人的健康,不僅關注主流煙氣對吸煙者的影響,而且也關注環境煙草煙氣對環境空間的污染和危害。卷煙側流煙氣是環境煙草煙氣的主要來源,側流煙氣提供了環境煙草煙氣60%～85%的粒相物和87%～99%的氣相物。

國外20世紀七八十年代就已對香煙燃燒的側流煙氣量進行了研究,有的還申報了發明專利。側流煙氣主要形成于抽吸間隔的陰燃,在卷煙紙裂解過程中,抑制其透氣度增加的特性都將降低側流煙氣量。

減少卷煙燃燒側流煙氣量的卷煙紙生產技術,主要是從填料和燃燒調節劑方面進行調整:選擇比表面積大的填料,增加焦油等有害粒相物的沉積面積,并借助良好的燃燒調節劑的黏結作用,改善卷煙燃燒的包灰質量,提高包灰的牢固性,阻擋煙氣的溢出[9]。國外有研究指出[10],與其他一些設計組分一起使用的氫氧化鎂將降低側流煙氣中的焦油量。在卷煙紙中加入氧化鎂,再加入一些化學助燃劑,與紙纖維等混合燃燒后有利于煙灰的包裹,阻止氣相物逸出并使其冷凝在填料上,使卷煙側流煙氣降低60%以上,而主流煙氣不受影響,能有效減輕吸煙對環境的影響。侯軼等[11]研究了卷煙紙中Mg(OH)2-CaCO3加填及其對卷煙煙氣的影響。發現阻燃劑氫氧化鎂的添加可降低卷煙紙熱解溫度,從而影響卷煙的燃燒狀態,達到降低煙氣有害物質的目的,卷煙主流煙氣中總粒相物、焦油、煙堿和一氧化碳均會降低,側流煙氣中的總粒相物下降顯著。

肖壽松等[12]發明了一種使用無機填料和助燃劑降低卷煙側流煙氣的方法。無機填料包括:碳酸鈣、三羥基鋁和鋁鹽化合物、比表面積大的含鎂物質,硅的氧化物或硅酸鹽或兩者的混合物;有機助燃劑指堿金屬的羧酸鹽:鉀、鈉的醋酸鹽,琥珀酸鹽,酒石酸鹽,富馬酸鹽。

英美煙草公司在卷煙紙中添加一種Li、Al或Ca的氫氧化物和甲酸鉀,美國雷諾公司在卷煙紙中添加無機礦物質和羧酸鹽等成分,可降低50%的側流煙氣,減少對周圍環境的污染,并且煙紙不透明度、灰分、透氣度都有不同程度改善,但這種環保型卷煙紙定量較高,對卷煙的吸味有一定影響。

從以上文獻可以看出,能夠從根本上降低卷煙燃燒溫度,減少卷煙有害物釋放的添加劑對于減少側流煙氣的釋放是有利的,同時篩選一些能增加煙灰凝結,減少卷煙紙透氣性能的添加劑也將大大改善卷煙燃燒環境。

1.3 灰分調節劑

卷煙紙的包灰效果對于減少吸煙環境的污染、降低側流煙氣擴散、減少被動吸煙者的健康危害、改善卷煙燃燒外觀非常重要,也是體現卷煙檔次的一個很重要方面,討論包灰性能可從卷煙燃燒后的灰色、包灰牢固性來分析,影響卷煙紙包灰的因素主要有:灰分含量、助燃劑種類及含量、紙張均一性、紙張的兩面差等。當其他因素無法滿足卷煙紙較好的包灰性能要求時,選擇具有包灰功能的卷煙紙添加劑成為改善卷煙紙包灰效果的重要研究方向,相關研究已有大量報道。日本煙草公司獲得一項美國發明專利授權——抑制煙灰分散的卷煙紙[13],該卷煙紙在無需增加助燃添加劑總量的情況下,即可起到明顯抑制煙灰分散的作用。梅志恒等[14]開發了一種卷煙紙改良添加劑,主要由高氯酸鹽和堿式乳酸鋁混合而成,用水溶解后噴涂在現有卷煙紙上,卷煙紙燃燒后紙灰成片狀定向彎曲,不易散落,同時可有效改善吸煙者的區域環境。楊偉祖等[15]發明了一種功能型卷煙紙,通過在卷煙紙上添加助燃劑和吸味調整劑,助燃劑包括:堿金屬羧酸鹽或堿土金屬羧酸鹽,以及堿金屬碳酸鹽;吸味調整劑包括:木糖醇或山梨醇或葡萄糖,使用后,煙支的包灰效果明顯改善,具有降焦功能,有效改善卷煙燃燒質量,對原有吸味不產生負面影響。

可以看出,灰分調節劑主要是篩選一些耐熱熔且結構獨特的物質,使之在卷煙燃燒過程中增加灰分的黏連,將添加劑與紙灰構架物質進行合理搭配,使紙灰與煙灰同步收縮,增強持灰能力,保持灰分外形。

以上研究闡述了不同燃燒調節劑對卷煙燃燒速率、煙氣指標和煙支外觀的影響,同時解釋了煙氣指標規律性變化的主要原因。燃燒調節劑在調節煙支燃燒速率的同時,改變了煙支的燃燒狀態,因而煙氣有害物的釋放量也發生了改變。

2 吸味調節劑的研究進展

卷煙紙功能性添加劑的應用首先要以至少不影響卷煙原有吸味為前提。所以,任何應用于卷煙紙的功能性添加劑都要在吸味上對煙支不造成負面影響。僅僅為調節卷煙吸味而開發的卷煙紙吸味調節劑產品較少,若功能性添加劑的其他功能性較為突出,但其對煙支的吸味有負面作用時,可采用一些能夠滿足卷煙紙添加劑添加工藝要求,同時可掩蓋該功能性添加劑的負面吸味效果的添加劑進行復配,達到賦予卷煙紙相應功能性的要求。如楊偉祖等[15]發明的功能性添加劑,在有效改善卷煙燃燒質量的同時,對卷煙原有吸味不產生負面影響。

3 降害型助劑的研究進展

從20世紀50年代初,英國皇家醫學會首次報道吸煙危害健康至今,吸煙與健康問題一直受到各國政府、煙草行業及醫學界的高度重視,卷煙降焦減害始終是煙草工作者的研究主題。

Torikai等[16]認為,煙草燃燒溫度每升高10℃,燃燒過程中將多釋放出上千種化學物質。如果卷煙在燃燒過程中,溫度達不到煙氣有害物質的產生范圍,或卷煙燃燒的溫度相對較低,所提供的能量不足以使煙草分解、裂解產生較小的物質,則在燃燒過程中煙氣中的有害物質將大幅度降低,從而減少煙氣對人體和環境的危害。

劉志華等[17]研究了檸檬酸鉀鈉混合鹽助燃劑對卷煙主流煙氣的影響,認為檸檬酸鉀降低主流煙氣量比檸檬酸鈉效果顯著,通過調整兩者的比例,可以實現對降低一氧化碳的特殊要求。武怡等[18]發明了一種卷煙紙添加劑,該添加劑主要由有機酸鉀鹽、金屬冠醚絡合物和有機金屬鹽按不同比例組成,既能有效地降低煙氣焦油含量,又能使卷煙保持原香吃味。

多數卷煙紙燃燒調節劑因為改變了煙支的燃燒狀態,對卷煙煙氣的有害成分釋放量均有一定的改變。添加鉀鹽能使有機物熱解初始溫度比未加鉀鹽時有所降低,同時使冷凝在燃燒區后端的部分總粒相物不能完全氣化,煙草高溫燃燒中的許多熱解、合成反應將不能發生[19-20]。

潘泉利等[21]研究了添加氧化鎂和氫氧化鎂的卷煙紙的開始分解溫度和紙張在最大分解處的溫度,表明添加該類物質后會提高卷煙紙的開始分解溫度,且卷煙紙能在較低溫度下發生最大分解,因此卷煙燃燒所產生的有害氣體也會相應地減少[22]。

在卷煙紙中添加生物吸附劑或催化劑也是降低吸煙產生有害物的研究方向。如寶雞煙廠推出的“新型生物特種卷煙紙”主要是利用生物活性保健因子,減少側流煙氣有害成分,減少刺激性,從而有效地降低吸煙對環境的污染和對吸煙者的危害,在改善卷煙吸味的同時,保持煙紙抗拉強度和高透氣度,形成不散不脫的柱形煙灰,側流煙氣小[23]。

隨著國內卷煙市場的逐步放開,中式卷煙與國際卷煙的競爭力日益激烈,“低害”卷煙消費成為將來可以預見的主流消費,“降焦減害”成了國際卷煙技術的發展方向,也是發展中式卷煙的必然要求。卷煙煙氣7種有害成分(一氧化碳、氫氰酸、氨、NNK、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛)釋放量可有效表征卷煙主流煙氣生物危害性,選擇性降低7種有害成分是實現進一步降焦減害工作的技術關鍵,圍繞降低7項有害成分的卷煙紙功能性添加劑的研究尚未有報道,通過卷煙紙降害型助劑的使用來實現卷煙7種有害成分的有效降低是今后卷煙紙降害型助劑開發的新方向。

4 結 語

盡管目前圍繞卷煙紙功能性添加劑開展了大量的研究,并報道一些添加劑產品的應用效果明顯,但一些功能性添加劑尚停留在實驗室的小試研發階段,就卷煙生產企業對卷煙產品的發展要求而言,真正能廣泛應用于卷煙品牌并產生較好效益的產品并不多見。同時,一些應用效果較好的添加劑雖然實現了應用,但其產生功能效果的機理并未被充分了解,缺乏系統的理論支撐,對于進一步挖掘功能性添加劑的應用效果,推動卷煙產品的發展無疑是不利的。因此,卷煙紙功能性添加劑的研究開發尚需要綜合多學科的知識,開拓思路,深入研究卷煙紙功能性添加劑的作用機理,從機理著手,將對添加劑的篩選進行方向性指導,必將有利于產品的開發進程,大大提高卷煙紙品質和卷煙品牌的市場競爭力。

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(責任編輯:孫秋菊)

Research Progress in the Application of Functional Additives in C igarette Paper

YU Zhen-hua1L I Shan-shan2,＊SHEN Jing-xuan2X IAO Wei-yi2

(1.Hongyun Honghe Tobacco(Group)Co.,Ltd.,Kunm ing,Yunnan Province,650202; 2.Yunnan Reascend Technology(Group)Co.,Ltd.,Kunm ing,Yunnan Province,650106)

余振華先生,工程師;主要從事煙用材料應用及產品開發研究工作。

TS761.2

A

0254-508X(2010)02-0057-04

2009-08-31(修改稿)